接觸分析

匯報人：趙玉潔2015年12月31日12接觸分析基礎12軸承接觸分析3汽車碰撞及接觸分析實例主要內容3第一部分接觸分析基礎接觸問題接觸分類接觸協調條件接觸單元面——面接觸接觸問題4接觸問題是高度非線性的，經常面臨的兩個挑戰是：1、很多時候接觸區域未知，表面與表面會突然接觸或者不接觸，這會導致系統剛度的變化。2、大多數接觸問題還要考慮摩擦作用。接觸分類5接觸問題分為兩種基本類型：1、剛體——柔體接觸(一種軟材料與一種硬材料接觸時）2、柔體——柔體接觸（兩個接觸體都是變形體）剛體表面變形體接觸協調條件6為阻止接觸表面相互穿過，需要在兩個接觸的表面設置一個關系。接觸協調條件用一個彈簧施加接觸變形條件稱為罰函數法。彈簧剛度或接觸剛度稱為罰函數，該彈簧的變形量滿足:7

接觸剛度k越大，接觸表面的侵入越少，然而該值太大會導致收斂困難。許可侵入量接觸協調條件還可以使用拉格朗日乘子法，增加一個附加自由度（接觸壓力），以防止發生侵入。將罰函數法與拉格朗日乘子法結合起來施加接觸協調條件稱為增強拉格朗日法。8接觸單元9ANSYS有五種類型的接觸單元:節點對節點——接觸的最終位置事先知道.節點對面——接觸區域未知,并且允許大滑動.面對面——接觸區域未知,并且允許大滑動三維線對線——該單元支持大滑動大位移

線對面接觸——支持大滑動大位移面——面接觸接觸單元使用“目標面”和“接觸面”的概念定義接觸對。剛體——柔體接觸，目標面總是剛性面，接觸面總是變形面。柔體——柔體接觸，目標面接觸面都與變形體關聯。接觸單元被約束,不能侵入目標面.然而,目標單元能夠侵入接觸面.10接觸面目標面面——面接觸如果凸面與平面或凹面接觸,那么平面或凹面應該是目標面.如果一個表面網格粗糙,而另一個表面網格較細,那么網格粗糙的表面應該是目標面.如果一個表面比另一個表面的剛度大,那么剛度大的表面應該是目標面.如果一個表面劃分為高次單元,而另一個表面劃分為低次單元,那么劃分為低次單元的表面應該是目標面.如果一個表面比另一個表面大,那么更大的表面應該是目標面.11面——面接觸12接觸單元的一般步驟:1. 創建有限元模型.2. 指定接觸和目標表面.3. 設置單元選項和實常數.4. 創建目標表面單元.5. 創建接觸表面單元.6. 施加邊界條件.7. 定義求解選項和載荷步.8. 求解.9. 觀察結果.面——面接觸13

面對面接觸單元由目標和接觸表面的獨立的單元類型組成，接觸對通過共用一個實常數指定.目標169和170單元-剛性或可變形的目標單元接觸171至176單元-二維和三維接觸單元

面對面接觸單元象皮膚一樣覆蓋在下面的有限元模型上.這些單元非常適合面對面接觸應用,如過盈裝配接觸、進料接觸、鍛造等.目標單元二維目標單元目標169單元

;目標部分有如下類型:直線、拋物線、圓弧、圓、或控制節點.三維目標單元目標170單元：目標部分有如下類型:三節點三角形、四節點四邊形、六節點三角形、八節點四邊形、圓柱、圓錐、球和控制節點.14

接觸單元二維：接觸171單元接觸174單元三維：接觸171單元接觸174單元15面——面接觸16該接觸副由實常數1確定剛性目標接觸單元接觸副面——面接觸實例17超彈性密封嵌入剛性目標面

接觸面

步驟1.創建實體模型并劃分網格.步驟2.指定接觸面和目標面.在這步驟3.設置單元選項和實常數.接觸對由實常數號來確定.目標單元和接觸單元必須共用相同的實常數號。面——面接觸實例18

應該設置罰剛度比例系數(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系數(FTOLN)。FKN通常介于0.01~10之間.對于體積變形問題,用值1.0(默認),對于以彎曲變形為主的問題,用值0.1。FTOLN默認為0.1.可以改變此值,但若容差太小,會使迭代數過多或不收斂。面——面接觸實例19

對于剛性目標面的直接生成,在創建目標單元之前,需要設置附加的單元屬性。前處理器>創建>單元>面對面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)創建表面單元步驟4：創建目標面單元

面——面接觸實例20步驟5.創建接觸面單元

對于在殼或梁單元上創建目標或接觸單元,有一個在梁或殼單元的頂面或底面創建單元的選項。能夠控制單元位置21面——面接觸實例

如果還沒有對模型的任何部分進行網格劃分,就不能激活接觸向導。

在啟用接觸向導創建柔體對柔體接觸模型之前,要先對所有即將用作接觸面的模型部件劃分網格.要創建剛體對柔體接觸模型,只要對用作柔體接觸面的模型部件劃分網格。接觸向導22面——面接觸實例接觸向導

所有的接觸單元選項和實常數都能通過接觸向導得到。創建接觸單元和相應的實常數.23

接觸向導還允許觀看、列表和刪除接觸副,并且可以快速顯示和逆轉法線方向.面——面接觸實例24面——面接觸實例步驟6.在有限元模型上施加邊界條件。如果目標面是剛性面,目標面將會自動固定。剛性面自動約束25步驟7:定義求解選項和載荷步.稀疏矩陣求解器對于中等大小的接觸模型是最好的選擇。PCG求解器用于大型接觸模型

。此選項只能用于對稱系統。對于小應變、小位移和小滑動問題，要關上大變形效應開關(NLGEOM,OFF).這樣設置將加快接觸搜索速度。使用一個合理的平衡迭代數目。因為對于大時間增量,迭代計算會變得不穩定,用線性搜索(linesearch)來穩定計算。26步驟7:定義求解選項和載荷步.

為了使接觸力平滑傳遞,時間步尺寸必須足夠小.確保一個精確的時間步的可靠方法是使用自動時間步。設置適當的子步數目:開始的子步尺寸(NSBSTP)對于裝配接觸可以較大,對于大滑動接觸應較小.對于劇烈的間斷,子步的最大數(NSBMX)應該較大.子部的最小數(NSBMIN)應該較小.注意:為了建立初始接觸條件,在第一個子步的二分之一前,要完成所有的平衡迭代。27步驟8.問題求解。步驟9.觀察結果。

接觸壓力、摩擦應力、總應力、接觸侵入、接觸間隙距離、滑動距離和接觸狀態都可以直接從通用后處理器或時間歷程后處理器中得到。28

第二部分軸承接觸分析軸承接觸研究現狀預壓緊力對軸承剛度的影響軸向載荷徑向載荷聯合載荷二次開發28研究現狀Stribeck通過實驗對滾珠與滾道的接觸問題進行了研究，推導出了球軸承的最大接觸載荷與徑向載荷的關系，建立了靜力學方法模型。但靜力學只簡單考慮了力學關系和假設理想的運動狀態下分析，其結果的可靠性有一定的局限性。擬動力學分析方法是A.B.Jones在考慮離心力和陀螺力矩效應下，分析軸承的運動特性，提出了高速球軸承的“套圈控制理論”假設，這種方法雖然受到套圈控制理論的限制，且沒有考慮軸承保持架的影響，但其計算結果對高速軸承的設計是非常有用的。29研究現狀高速角接觸球軸承內部的速度和運動狀態比較復雜，滾珠不僅存在公轉、自轉，且在滾珠與內外圈滾道接觸區還會發生自旋等運動。對軸承運動狀態的分析將影響整個軸承的性能分析。對以下四個方面進行分析：1、角接觸球軸承滾珠的運動3、軸承受力方程軸承的公轉運動4、預緊力對軸承剛度的影響滾珠的自轉運動滾珠的自旋運動滾珠的陀螺力矩2、角接觸球軸承滾珠的受力滾珠上的受力滾珠上的陀螺力矩30研究現狀角接觸球軸承滾珠的運動1、滾珠的公轉運動高速角接觸球軸承在運轉時，滾珠繞軸承中心軸線作公轉運動的角速度與軸承保持架的角速度是相等的。滾珠公轉角速度：

2、滾珠的自轉運動軸承在高速運轉時，軸承內部滾珠同時會繞自身軸線作自轉運動。其中

31研究現狀軸承高速運轉時，軸承滾珠也會有自旋運動，且滾珠相對滾道的自旋分量為：相對于內滾道：3、滾珠的自旋運動相對于外滾道：根據滾道控制理論：與滾珠之間摩擦力比較大的滾道上不發生自旋，實現純滾動；與滾珠之間摩擦力比較小的滾道上發生自旋。如果內滾道無自旋，即滾珠相對內滾道的自旋分量為零，稱滾珠為“內滾道控制”；如果外滾道無自旋，即滾珠相對外滾道的自旋分量為零，稱滾珠為“外滾道控制”。32研究現狀接觸角不為零時，運轉軸承內部滾珠的自轉軸線在不斷地發生變化，故會受到陀螺力矩的作用，這會使得滾珠產生繞’和軸旋轉的運動趨勢，即陀螺運動趨勢。軸承的速度越高，作用在滾珠上的陀螺力矩就會越大，其陀螺運動的趨勢就會越明顯。當陀螺力矩進一步增大時起，就可能會引起滾珠的陀螺運動，這會使滾珠在套圈的滾道上產生滑動，加劇了軸承內部發熱現象，對軸承的高速運轉是不利的。4、滾珠的陀螺力矩33研究現狀滾珠的受力1、滾珠上的受力軸承高速運轉時，內部滾珠會產生較大的離心力2、滾珠上的陀螺力矩對于接觸角不為零的軸承，當滾珠繞兩相交的公轉和自轉軸線旋轉時，滾珠會受到慣性力矩的作用。該慣性力矩稱為陀螺力矩。34研究現狀軸承受力平衡方程通過軸承軸線和方位角處的球中心的平面，如果非共面的摩擦力很小，則如滾珠的載荷圖所示，可得力平衡方程：35預壓緊力對軸承剛度的影響高速角接觸球軸承在定壓預緊作用下,隨著預緊力的增大,軸向綜合剛度是增大的,而徑向綜合剛度是減小的。當軸承只受到預緊力影響而不受到其他外載荷影響時，軸向剛度的變化幅度大于徑向剛度。隨著預緊力的增大,內圈接觸角變大,外圈接觸角變小,內圈接觸角大于外圈接觸角。軸向變形逐漸增大,且轉速越高變化越明顯;內外圈法向接觸載荷都變大,且內圈法向載荷小于外圈。研究現狀36軸向載荷對于角接觸球軸承，軸向變形量與載荷的關系為：加載軸向力時，將軸向力轉化為面壓力。其中PI=ACOS(-1)，其大小取決于機器精度。

其中D為滾動體直徑，Z為鋼球個數，F為軸向力。

37軸向載荷約束方式：復制命令流至對稱結束之后。選擇外圈的左端面，約束其x、y、z方向位移。將坐標系繞y軸順時針旋轉90度，切換到柱坐標系，選定鋼球的中心節點，約束此節點y方向位移（此刻的坐標系對應的是周向位移）。將坐標系繞y軸逆時針旋轉90度并切換到笛卡爾坐標系（也就是恢復到最初的坐標系）。在內圈的右側端面加載壓力0.054MPa。38軸向載荷只加載軸向力Mises應變圖只加載軸向力Mises應力圖3940

徑向載荷軸承加載徑向力時，實際工況需要以余弦載荷的形式加載。余弦載荷的大小：注意事項：所謂余弦載荷，實際定義時為正弦。

因為坐標系是柱坐標系，x軸代表軸向，y軸代表旋轉的徑向，角度為從x軸水平方向逆時針旋轉，所以角度為90-，所以實際加載載荷時定義的函數應該是sin即正弦。坐標系的選擇與切換。40余弦載荷41余弦載荷

定義函數4142

余弦載荷圖像顯示各個節點力隨坐標軸變化余弦力變化圖像4243

余弦載荷結果分析加載余弦載荷mises應力圖加載余弦載荷mises應變圖4344

余弦載荷結果分析

可以發現加載余弦載荷時，應力應變值最接近理論值，控制在10％以內。加載不同的力結果對比分析44聯合載荷聯合載荷即同時加載軸向力與徑向力。約束方式：外圈全約束。鋼球約束柱坐標系下的切方向。內圈耦合內表面y方向位移，并在內圈內表面加載y+方向996N徑向力。內圈端面以面壓力方式加載240N徑向力。45聯合載荷小模型聯合載荷下mises應力圖聯合載荷下mises應變圖46聯合載荷47大模型聯合載荷下mises應力圖聯合載荷下mises應變圖48二次開發思路：利用vb設計界面并且編寫程序，然后直接生成APDL的txt格式，把它導入ANSYS中，實現建模接觸加載求解一系列操作。主要分為兩個步驟：1、滾動軸承的參數化建模。2、滾動軸承的接觸分析。流程圖：設計思路4849

二次開發界面及說明

插件的頁面分為四個不同界面，分別為軸承尺寸、材料參數、加載與求解。下圖為第一個界面：軸承尺寸。4950二次開發界面及說明材料參數加載5051

二次開發界面及說明求解界面有一個ansys安裝路徑，點擊參數化有限元分析這個button會直接將命令流導入ansys。要注意安裝在哪個盤，安裝的是哪一代的ansys，是32位還是64位。點擊生成命令流按鈕，便會在計算機c盤生成名為1的文檔，里面是整個過程的命令流。

5152二次開發后期完善接觸部分處理：因為單元節點眾多，編號無規律可循，所以在編程中可以直接調用了ANSYS提供的相關接觸單元類型，如接觸面選擇含中節點的8節點四邊形單元CONTACT174，目標面接觸單元類型選用了無中間節點的3節點三角形單元TARGE170。后處理：后處理模塊，在ansys后處理中導出有限元網格模型、變形圖、應力和應變云圖等。反映到vb界面上。在圖像窗體中添加視角參數，可實現多個角度觀查分析結果。增加分析功能：隨著對軸承研究的加深，可以在二次開發里增加模態分析、熱分析等模塊。5253第三部分汽車碰撞及接觸分析實例汽車碰撞齒輪接觸分析實例彈性觸頭接觸分析（多載荷步）汽車碰撞54采用automatic接觸類型。因為汽車碰撞過程中很難判別接觸方向，而automatic接觸方式是自動從殼單元兩邊進行檢測，適用各種復雜情況。Singlesurface的接觸類型廣泛適用于汽車碰撞。

三種：CONTACTSINGLESURFACE

CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACECONTACTAUTOMATICGENERAL對于汽車碰撞分析，一般設置一個總體單面接觸，用于所有汽車部件可能發生的接觸檢測。然而總體接觸有時在局部失效，所以常設一些局部的接觸類型。

汽車碰撞55局部接觸設置：氣囊的自身接觸氣囊與假人、方向盤的接觸安全帶與假人的接觸泡沫、橡膠等非金屬材料與鋼材的接觸（側碰移動壁障與汽車的接觸）汽車碰撞56一、氣囊的自身接觸使用CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACE單元類型，該接觸類型專門用于汽車自身接觸處理。設置SOF=1（軟的纖維材料特性）氣囊折疊后常有初始滲透，兩種解決辦法：1、定義一條曲線，指定殼單元的厚度與時間有關2、使用可選卡片C中IGNORE的參數，設置IGNORE=1.消除氣囊初始滲透。57使用CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACE接觸類型。問題：材料特性差異太大、氣囊厚度太小。設置SOF=1以及氣囊接觸厚度SST=1汽車碰撞二、氣囊與假人、方向盤的接觸58汽車碰撞三、安全帶與假人的接觸安全帶材料軟，厚度小，包含1d單元，需特殊處理對于1d安全帶單元，設置它為從面，假人為主面。由于沒有節點厚度，需要人工設置，一般設置SST=2-4mm。對于2d安全帶單元，使用CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACE接觸類型，并設置SOFT=1及SST=2-4mm代替單元真實厚度。四、泡沫、橡膠等非金屬材料與鋼材的接觸

需要進行特殊節點處理，否則會出現負體積及節點速度無限大。

汽車碰撞

59接觸對象的設置：

在定義全局接觸時，不需要把所有的部件part都包含進行。應把需要局部設置的部件排除在外，如安全帶、假人、氣囊等。針對不同的碰撞方式設置不同的接觸區域，減少搜索接觸的區域，減少CPU運算時間。汽車碰撞60接觸阻尼設置粘性接觸阻尼參數VDC缺省是0，該參數在接觸分析中有效降低接觸力的高頻振蕩部分，一般設置VDC=20。接觸摩擦設置使用part—contact定義摩擦系數的方式對各part摩擦系數進行設置。在contact關鍵字中把FS設為-1.接觸厚度設置接觸厚度一般不能低于0.6-0.7mm，有些厚度太小的部件（氣囊，安全帶）需要人為增加厚度。一般殼單元厚度小于1mm，必須增加厚度。61斜齒輪接觸分析問題：一對嚙合的齒輪在工作時發生接觸，分析其接觸時的位置及接觸力的大小。62斜齒輪接觸分析1、定義單元。為斜齒輪選用Solid185單元,用Contact174和